22.06.2016

Neuer Effekt beim Laserinduzierten Umschalten von Bits für höhere Speicherdichten

BFO hat eine Perowskit-Kristallstruktur. Bild: Universität Tokio

Ein internationales Team hat an BESSY II eine neue Möglichkeit entdeckt, wie sich die Informationsdichte in Speichermedien künftig weiter erhöhen lässt. Sie beschossen dafür das ferromagnetische Material BaFeO3 (BFO) mit kurzen Laserpulsen, welche einen kurzzeitigen Phasenübergang im Material bewirken. Das ermöglichte es, ansonsten stabile magnetische Regionen sehr lokal umzuschalten. Dies konnten sie mit ultrakurzen Röntgenpulsen an der Femtospex-Anlage nachweisen. Dieser Effekt könnte einen neuen Weg eröffnen, um Daten zu speichern. Die Ergebnisse sind nun in Phys. Rev. Letters publiziert.

Die Speicherkapazität von Festplatten ist seit Jahrzehnten stetig gewachsen. Nun kommt sie aber an Grenzen, die durch die Gesetze der Physik vorgegeben werden. Denn je kleiner die magnetischen Bit-Einheiten werden, desto instabiler werden sie, so dass die gespeicherte Information mit der Zeit verloren geht. Dabei gibt es bereits stabilere magnetische Materialien. Das Problem: Die magnetischen Bereiche in diesen Materialien sind so stabil, dass sie mit dem Schreibkopf nicht mehr umgeschaltet werden können. Techniken wie das Heat Assisted Magnetic Recording erhitzen dann lokal den Bereich um die magnetische Informationseinheit (Bit), die Wärme bringt das System sozusagen über die Energiebarriere, so dass sich das magnetische Bit umschalten lässt, nach Abkühlung ist es wieder stabil.

Laserpulse ermöglichen leichtes Umschalten

Eine internationale Kooperation hat nun einen völlig neuen Ansatz vorgestellt, um die Energiebarriere in einem magnetischen Material zu überwinden. Sie erniedrigen die Barriere für die magnetische Manipulation, indem sie einen Phasenübergang im Material hervorrufen, vom isolierenden zum metallischen Zustand. Das Team, das von Prof. Hiroki Wadati von der Universität Tokio geleitet wird, hat das Material BaFeO3 (BFO) mit ultrakurzen Röntgenpulsen am Femtospex-Messplatz der Photonenquelle BESSY II des HZB untersucht. BFO ist ein ferromagnetischer Isolator mit stabiler magnetischer Ordnung. Wenn man das Material aber mit Laserpulsen oberhalb einer bestimmten Schwellenleistung beschießt, lässt sich dessen magnetische Ordnung auf einmal leicht manipulieren.

Ursache ist ein lokaler Phasenübergang

Die Forscher konnten den Schwellenwert für das magnetische Umschalten ermitteln und zeigen, dass sich dabei ein Übergangszustand im Material bildet: Kurzfristig wird der Isolator BFO metallisch. Anders als in üblichen magnetischen Materialien, wo Laser-Anregung einen quasi-metallischen Zustand nur für weniger als ein Billionstel einer Sekunde herbeiführt, stabilisiert sich in BFO der metallische Zustand selbst. Er bleibt dadurch etwa tausendmal länger erhalten und besteht damit lange genug, um in dieser Zeit z.B. Bits mit einem kurzen Magnetfeldpuls zu schreiben. Dadurch ist der Effekt für technische Anwendungen interessant. 

Ultraschneller Prozess am Femtospex-Messplatz beobachtet

Die Ergebnisse, die nun in Phys. Rev. Letters publiziert sind, zeigen einen neuen Weg auf, um Daten zu manipulieren. Solch ein umfassendes Bild von ultraschnellen Prozessen in einem Material zu gewinnen war möglich, weil der Femtospex-Messplatz an BESSY II des HZB, es erlaubt, magnetische und spektroskopische Informationen in ein und demselben Experiment zu gewinnen.

Zur Publikation: Photoinduced Demagnetization and Insulator-to-Metal Transition in Ferromagnetic Insulating BaFeO3 Thin Films. T. Tsuyama, S. Chakraverty, S. Macke, N. Pontius, C. Schüßler-Langeheine, H. Y. Hwang, Y. Tokura, and H. Wadati
Phys. Rev. Lett. 116, 256402

doi: 10.1103/PhysRevLett.116.256402

red/arö